塑料感应焊接技术

1、塑料感应焊接技术Plastic induction welding technology张胜玉 ( 广州市特种设备行业协会，广东 广州 510380) 摘要 ：感应焊接是一门简单、快捷、可靠的塑料焊接技术。该技术是通过感应加热向设计接头精确输出能量，接头处的 植入材料选择吸收能量、 熔化和流动以填满接头。塑料感应焊接商业应用已有三十多年历史， 在焊接压力容器和其它高要求 零件（需高强度和外形美观的结构、 密封接头）方面获得了持续成功。感应焊最初之所以大受欢迎是因为它有效地解决了低 表面能聚合物如聚丙烯和聚乙烯的焊接问题， 过去的十年里其使用范围已扩展到覆盖全系列工程塑料及难以用其它方法焊接 的

2、高填充复合物。本文论及感应焊接原理及过程 、植入物 、焊接设备 、工艺参数 、焊接性 、接头设计 、特点 、应用 、最新进展。 关键词 ：感应焊接 ；工作线圈 ；植入物 ；电磁材料 ；涡流加热 ；磁带损耗加热 中图分类号 ：TQ320.674 文章编号 ：1009-797X(2014)22-0017-10 文献标识码 ：B大多数塑料焊接方法如超声波焊 、振动焊 等在结合面处不需外加材料 。但在某些情况下 由于工件或接头复 杂 、零件限制和设备可达 性的原 因 ，这些方法不能 用 。这时须考虑采 用外加材料的方法 ，感应焊就是其中之一 。感 应 焊 ， 又 叫 感 应 植 入 焊 （ impla

3、nt induction welding ），是通过高频磁场感应加热植入材料 熔化和填充待焊表面而形成持久结合的一种焊 接方法 。塑料感应焊接商业应用已有三十多年 历史 ，最广泛用于焊接难焊材料如聚烯烃等 。 感应焊也可用于填充或玻纤增强聚合物及某些 异种塑料的焊接 。随着高强度和承载用途的工 程塑料 （增强塑料）使用量的显著增长 （如汽 车业 ），感应焊接正成为基础设计和制造方法至 关重要的一环。 1感应焊接原理及过程 感应焊接的基本原理是电磁材料 （植入物） 预先置于待焊零件界面处 ，然后对植入物施加 一个由高频电 源（ 210 MHz ）产生的交变磁场， 作者简介 ：张胜 玉（1970-

4、 ），男 ，高级工程师 ，毕业 于上海交通大学材料科学及工程系焊接专业 ，工学学士 ，已 发表论文 1 0 余篇 ，其中 塑料激光焊接在第三届华中地 区科学技术推广大会荣获二等奖 ，搅动摩擦焊原理及应用 被中国高科技产业化研究会评为一等奖 ，研究方向为塑料及 复合材料焊接，焊接新技术新工艺。 收稿日期 ：2014-08-04 2014年 第40卷·17·橡塑技术与装备（塑料版）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastic edition)电磁材料在交变磁场作用下发热 ，熔化待焊零 件表面 ，在适当压力下将两零件

5、熔合在一起形 成持久焊缝。 电磁材料 （导电材料或铁磁材料）置于交 变磁场中时会出现感应加热 。感应焊接有两种 加热机理 ：焦耳加热（涡流加热，见图 1 ）和磁 滞加热 。感应加热是由涡流和磁滞损耗产生的 ，两者的相对大小取决于磁场作用下材料的磁性 。 在导电非磁性材料 （如铝粉）中只出现涡流加 热 ；在非导电的铁磁性材料 （如陶瓷铁氧体） 中只发生磁滞损耗加热 。在导电磁性材料 （如 铁基铁磁材料）中 ，磁滞损耗加热和涡流加热 都起很大作用 。加热速度由焊接界面处植入物 的磁导率或磁化率决定 。磁滞损耗的大小由图 2 中包围的面积来描述 ，磁滞回线包围的面积 与转化为热量的能量成正比 。需要

6、高频 （ 210 MHz ）进行有效加热的原因是即使具有最佳磁 性的磁感受体 ，单个磁滞回线 （磁滞循环）产 生的发热量也是极小的（温升约 0.003 ）。磁滞损耗 （ hysteresis loss ）是指铁磁材料 在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗 。磁 性体的磁化存在着明显的不可逆性 （如图 2 所示 ），当铁磁体被磁化到饱和状态后 ，若将磁场 强度 H 由最大值逐渐减小时 ，其磁感应强度 B不是循原来的途径返回 ，而是沿着比原来的途 径稍高的一段曲线而减小 ，当 H =0 时， B 并不 等于零，即磁性体中 B 的变化滞后于 H 的变化。 磁性物质都具有保留其磁性的倾向 ，磁感应强

7、度 B 的变化总是滞后于磁场强度 H 的变化 ，这 种现象就是磁滞现象 。磁感应强度 B 与磁场强 度 H 之间呈现磁滞回线关系 。经一次循环 ，每 单位体积铁芯中的磁滞损耗等于磁滞回线的面 积 。这部分能量转化为热能 ，磁滞损耗的大小 取决于所用材料的磁滞回线。 涡流损耗（ eddy current loss ）导体处在随时间变化的磁场中时 ， 导体内 感生的电流导致的能量损耗 ，叫做涡流损耗 。 在导体内部形成的一圈圈闭合的电流线 ，称为 涡流 。由于电流的热效应 （通过 I 2 R 加热 ），涡 流会使导体发热 ，消耗能量 。如果导体的电阻 率小 ，则产生的涡流很强 ，发热量就很大 。涡

8、 流损耗的大小与磁场的变化方式 、导体的运动 、 导体的几何形状 、导体的磁导率和电导率等因 素有关。 如图 3 所示，感应焊接过程分为四个阶段 ： 第一阶段 ：放置植入物 。通过手工或者使 用自动装置将植入物放在接合处，如图 3a 。图 1感应焊涡流加热图 2典型的磁滞回线图 3 感应焊接过程·18·第40卷 第22期张胜玉·塑料感应焊接技术 第二阶段 ：施 压 。将零件放入与气缸相连 的夹具中对零件施压 ，或者通过将感应线圈嵌 入其中的聚四氟乙烯或陶瓷块对零件加压 ，如 图 3b 。第三阶段 ：感应加热 。电源作用于感应线 圈 （工作线圈 ），产生加热植入物的

9、电磁场 ，通 过热传导依次加热和熔化周围的热塑性塑料 。 由于随着离工作线圈的距离的增加 ，电磁场呈 指数衰减 ，所以接头应尽可能靠近线圈以便最 大限度加热植入物 。在加热过程中 ，植入物流 动填补零件之间的间隙，如图 3c 。第四阶段 ：零件的冷却和拆卸 。在达到预 定焊接时间之后 ，切断电源 ，零件在压力下冷 却至预设时间 。然后移走焊接组件 ，循环重复 进行，如图 3d 。热塑性零件的焊接 ，基体通常与零件材料相同 ，在熔体流动方面是相配的 。例如 ，在焊接聚乙 烯 时 ，粘合剂可以是含有 0.5%0.6% 体积百 分数磁性氧化铁粉末的聚乙烯树脂 。对于异种 材料 ，使用的基体是两种热塑

10、性塑料的混合物 。 感应焊设备供应商也提供焊接异种材料的专利 化合物。 电磁感应方法也用于快速固化热固性粘合 剂如环氧树脂 。在连接热固性塑料如片状模塑 料时 ，粘合剂基体包围电磁材料 。热量直接在 粘合剂中产生 ，提供快速固化 。在环氧树脂的 固化过程中胶凝时间可短至 30 s 。粘合剂通常形成匹配接头设计的外形。从装 配角度来说 ，模切预型件 （ die - cut preform ）如垫片应用最简 便 ，但根据待焊零件的大小 和形状及感应线圈的位 置 ，有各种形状的植 入物如片 材 、带 材 、线 束 、挤塑型 材 、注塑 成型制品等 （见图 4 ）可供选用 。通过夹物模 压（ inse

11、rt molding ）、 双 色 模 塑 （ two - color molding ）、共挤压 （ co - extrusion ）或共注射 （ co - injection ）将植入材料与待焊零件之一直 接合为一体也是一种可行的途径。 感应焊接植入物 植 入 物 （ implant ）， 有 时 称 作 电 磁 感 受 体 / 电 磁 材 料 （ electromagnetic susceptor/ material ）、 磁 感 受 体 / 铁 磁 材 料 （ magnetic susceptor/ ferromagnetic material ）、 感 受 材 料 / 复合物（ su

12、sceptor material / compound ）、 粘合剂 （ binder/bonding agent ），是感应焊接 过程中的加热元件 （发热体 ）。颗粒填料或者丝 或网状植入物用于提供热源 。感应加热使用的 粘合剂由填满金属粒子或氧化铁的热塑性树脂 组成 。粘合剂在感应磁场中熔化并形成粘合接 头 。填料材料可以是简单的铁磁材料如金属铁 或不锈钢 ，也可以是提供更精确温度控制的陶 瓷铁氧体材料 。最常用的填料是非常细小的微 米级铁磁粉末 。填料的种类和数量影响能量吸 收 ，因而影响结合线处的发热量 。电磁材料通 常得专门配制以便固化时内部放热量较少 。否 则接头会过热，粘合剂会热

13、降解。 为了连接热塑性塑料 ，这些电磁材料 （金 属网或者不同类型 、颗粒大小和浓度的铁磁粉 末）密闭在与待焊塑料相容的热塑塑料基体中 。 植入物通常针对特定用途生产以确保与待焊材 料相容和达到最大效率 。对于同种材料制成的 2图 4 各种形状的植入物感应焊接设备 焊接装置可以是整合机器人材料搬运的高 度自动化的多站装置或手工装卸零件的单站装 置 。最新的感应焊机使用的是能精确控制功率 32014年 第40卷·19·橡塑技术与装备（塑料版）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastic edition)级的固态功

14、率发生器如金属氧化物半导体场效 应晶体管 。在这种类型的发生器中 ，磁场频率 是由发生器电路决定的 ，因而需要匹配网络使 发生器输出阻抗与工作线圈阻抗匹配 。匹配网 络是可远距离放置或者移动以满足各种不同工 业要求的关键组成部分 。固态装置的控制电路 比普通的振荡管发生器复杂得多 ，但是它能提 供复杂精确的功率输出控制。 如图 5 所示 ，典型的感应焊机由五部分造成： 感应发生器 、工作线圈（感应线圈 ）、热交换器、 压力机、夹具或器具。 在一起 。一个器具通常是固定的而另一个是可 动的 。因为工作线圈附近存在金属导体会降低 磁场强度 ，所以器具是由非导电材料如酚醛树 脂或环氧树脂制成。 （

15、5 ）工作线圈（感应线圈） 工作线圈的作用是提供绕过接头的磁场。它 必须与感应发生器的功率输出相配 ，其设计必 须降低高频时起弧或过载的倾向 。工作线圈的 设计和布置对于获得高强度焊缝和过程高效率 至关重要 。工作线圈应符合零件外形 ，可以为 每个零件量身定做。线圈与接头之间的距 离（耦 合距离）应尽可能小 （原则上小于 1.6 mm ）。 短的耦合距离绝对必要 ，因为根据平方反比定 律 ，来自于磁场中用于发热的能量与离线圈距 离的平方成反比 。感应线圈能适应三维接头 ，可焊长达 6.1 m 的接头 。还可在线圈中心放置 铜反射器以便将磁场集中在接头区域内 。反射 器（ reflector ）

16、 / 反 射 线 圈 （ reflection coil ） 是使磁力线指向结合线处的未激励线圈 （ non -ener gized coil ）。线圈可由铜管 、薄板或机加工块制成 。所有 线圈都是水冷的 。管线圈可以是方的 、圆的或矩 形的 ，常规尺寸是 3.2 mm 、 4.8 mm 、 6.4 mm 、 9.5 mm 。由于 3.2 mm 线圈中的狭窄水流会造 成过热，所以 3.2 mm 线圈仅用于不受轻微过热 影响的短加热循环和小型零件 。在获得最佳耦 合距离方面 ，方管优于圆管 。铜薄 板（ 1.6 mm 厚） 用于加热 127×508 mm 或 25.4×2

17、030 mm 的大 型零件和密封大的表面积及不规则的平面形状。 最简单的线圈设计是单匝线圈 （如图 6a ）， 磁场集中在线圈内径周围 。在线圈引线端形成 较弱场强 ，这个问题可通过使用反射器减轻 。 单匝线圈所需空间比其它设计 少 。多匝线圈 （如图 6b ）消除了单匝线圈的弱磁场强度 。依 据接头外形的不同 ， 多匝线圈可以是焊接圆形 容器的圆柱形或螺旋形 ，或者是矩形 、方形或 不规则形状 。因为最大磁场强度在线圈内 ，接 头应置于线圈中心 。在待焊零件尺寸大于等于 152 mm 时有必要使用反射器以获得最大效率 。图 5感应焊机简图（ 1 ）感应发生器 依据使用情况 ，感应发生器将 5

18、0 Hz 或 60 Hz 的电源转变为功率一般为 15 kW 的高频 （ 210 MHz ） 电源。加感线圈 （负载工作线圈） 的阻抗匹配发生器的输出阻抗以确保一致有效 的系统运作。这称之为线圈调谐。 （ 2 ）热交换器 在焊接循环过程中 ，很高的电流流过感应 线圈 。为防止过热 ，水在线圈中循环流动 ，通 过热交换器冷却 。热交换器通常与发生器连成 一体。 （ 3 ）压力机 在焊接过程中施压装置通常是与气缸或液 压缸相连的压头。 （ 4 ）夹具 夹具或定位器具在焊接过程中将零件组合 ·20·第40卷 第22期张胜玉·塑料感应焊接技术 线圈的匝数取决于焊缝的总表面

19、积 。多匝线圈 的长度不应大于线圈直径的 34 倍 。盘圈形线 圈 （如图 6c ）用于加热较大平面面积 ，它们是 由在水平面盘绕管材至预定直径而制成 。发夹 式线圈 （如图 6d ）是挤压在一起的单匝线圈 ， 匝间耦合距离等于零件厚度 。随着耦合距离的 减少 ，磁场更加集中 。发夹式线圈可以形成不 规则形状 ，用于连接长的平直薄板或玻璃纤维 毡复合材料制成的结构件的周边封接 。对于大 型零件如管道或导管 ，或者接近结合线受限的 零件， 可以采用拆分线圈（如图 6e ）。这些线圈 可以打开便于零件拆卸。 件和工作线圈的设计 、磁场频率 （感应焊工作 频率根据加热元件的成分进行选择 ）、电磁材料

20、 的种类等。 5各种塑料的感应焊接性 同其它焊接方法相比 ，感应焊较少依赖于 待焊材料的性能 。可焊接所有热塑性塑料 （无 论是结晶性还是非结晶性塑料 ）。能焊接高性能 和难焊树脂 。容易焊接的热塑性塑料包括 ：各种等级的 ABS 、 尼龙、 聚酯、 聚丙烯、 聚乙烯、 聚苯乙烯 、 SAN 、聚氯乙烯 、丙烯酸以及那些 通常认为难焊的材料如乙缩醛 、改性聚苯醚 、聚碳酸酯。 某些异种材料或含有玻璃 、滑石 、矿物质 、 木材或其它填料的热塑性塑料均可焊接 。感应 焊可连接某些异种材料如高填充热塑性塑料以 及软弹性体与硬质塑料 。还可用于连接热塑性 材料与非热塑性材料如纸 。在焊接异种热塑性

21、塑料时 ，含有铁磁性颗粒的热塑性基体由两种 待焊材料的混合物组成 。在焊接含填料材料时 ， 植入材料中的热塑性树脂含量可以提高以补偿 零件中的填料含量 ，在焊接过程中产生更大量 的熔体 ，形成更高强度的接头 。填料含量高达 65% 的增强塑料已能成功焊接 。交联低密度和 高密度聚乙烯可用普通的低密度或高密度基体 材料进行焊接 。感应焊能焊接玻璃和碳纤维增 强的热塑性塑料如聚苯硫醚 、 PA12 、聚丙烯 。 例如 40% 玻璃填充的聚丙烯很容易焊接 。感应 焊也可用于连接热固性塑料 （如片状模塑料） 和其它非金属母材 。这时 ，粘合剂充当热熔性 胶粘剂 （ hot melt adhesive

22、）。表 1 显示了各种 热塑性塑料的感应焊接相容性。 图 6 常用感应焊工作线圈设计感应焊工艺参数 感应焊不如其他焊接方法 （如振动焊）对 工艺参数敏感 。感应焊的主要工艺参数是 ：功率、 焊接时间、焊接压力、冷却时间。 焊接时间是影响焊缝强度最主要的因素 ， 其次是功率 。同时间和功率相比 ，压力对强度 影响很小 。在功率和压力不变的情况下 ，焊缝 强度与加热时间成正比。 典型的感应功率范围为 15 kW 。较大零件 或较长接头的零件需较高的功率输出 。功率输 出也随接头与线圈之间耦合距离的增加而增加。 焊接时间取决于电磁填料的种类与颗粒大 小 、热塑性基体中密闭的电磁填料的横截面积 、 功

23、率输出 、频率和工件尺寸 。这些参数针对每 一特定用途进行调整。 焊接压力确保植入物在接头内部的均匀分 布。冷却时间随用途而变化，可能少于 1 s 。感应焊接过程中的其它重要因素包括 ：零4感应焊接接头设计 接头设计是开发新应用的高交互过程 。典 型的设计流程包括材料相容性初步试验 、概念 布局与建立三维实体模型 ，对实验室压制机中 的原型零件进行设计验证以及对生产工装中的 生产件的工业化生产过程进行验证 。典型的接 62014年 第40卷·21·橡塑技术与装备（塑料版）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plast

24、ic edition)表 1 各种热塑性塑料的感应焊接相容性聚碳 酸 酯聚苯 乙 烯聚氯 乙 烯离聚物 ( Surlyn )聚苯醚 ( Noryl )聚砜共聚 酯苯乙 烯烯共 烃 聚物 类聚物） 苯乙烯共聚物 表示相容 头设计有以下几种 ：（ 1 ）平面 平面接头（如图 7 ）面的场合 。它能产生结构焊缝和有限密封焊缝 ，可用于平直零件装配 、圆盘 、压力密封等 。植 入物可用圆的、扁平的或带状型材。 （ 3 ）榫槽接头 榫槽接头适用性最广 ，能获得最高强度焊 缝 。植入物密闭在接头中 ，能够产生气密封接 和耐压密封及外形美观的焊缝 。榫槽剪切接头 是使用最广的接头设计 。该设计适用性好 ，具

25、 有如下优点 ：具定位功能 ；接头预接合 ，组装简便 ；物理止动 （ physical stop ）保障 连接件的相对位置 ；植入物在接头内定向流 动 ；由于最终接头强度随界面结合面积而变 化 ，榫槽剪切接头一个很大的优点是能在薄壁 接头内提供较大的界面结合面积 。普通的榫槽 接头如图 9 所示 ，植入物用圆型材 。高压榫槽 接头如图 10 所示 ，用于大型模制件的长剪切接 头，植入物用片材或带材。 （ 4 ）阶式接头（如图 11 ）阶式接头能适应较大的零件收缩变化 ，产生 高压密封接头 。该设计利用小型圆柱形模制件中 图 7 平面平面接头这是最简单的设计 ，用于连续焊接作业或 焊合线较长的零

26、件 。该接头仅产生结构焊缝 ， 可用于热成型件 、板件 、点焊等 。植入物可用 圆的、扁平的或带状型材。 （ 2 ）平面 凹槽接头（如图 8 ）平面 凹槽接头确保焊缝的精确定位和 植入物的密封 。用于植入材料需自动伸进结合 图 8平面 - 凹槽接头·22·第40卷 第22期热 热塑性弹性体 乙 丙 纤维 尼龙 聚 聚 聚聚塑ABS 缩 烯 素塑 6.6 ， 丁 乙 丙 氨 SAN 性 醛 酸 料 11 ， 12 烯 烯 烯 酯 聚酯ABS 乙缩醛 丙烯酸 纤维素塑料 离聚物（ Surlyn ） 尼龙 6.6 ， 11 ， 12 聚丁烯 聚碳酸酯 聚乙烯 聚苯醚（ Noryl

27、 ） 聚丙烯 聚苯乙烯 聚砜 聚氯乙烯 聚氨酯 SAN （苯乙烯 / 丙烯晴共 热塑性聚酯 热塑性弹 共聚酯 性体 烯烃类 张胜玉·塑料感应焊接技术 适当的接头形状和尺寸是感应焊接零件设 计的重要考虑事项 。接头形状和高频线圈空间 布置之间的相互关系决定能量从高频线圈传递 至接头处电磁材料的总效率 。结合线应相对于 外壁均匀布置 。这一点对于保证耦合距离 （即 工作线圈与结合线之间的距离）恒定必不可少 。 接头本身应尽可能规则 ，最好是环状或圆柱形 的 。不规则形状的接头需要更复杂和更昂贵的 工作线圈且难于均匀加热 。接合线应尽可能靠 近线圈 。应避免采用阻碍工作线圈靠近接合线 的外

28、部突缘 、突出部或其它不规则物 。可以采 用使耦合距离可能达 25 mm 的特殊反射线圈 。 但反射线圈需要开发 ，成本更贵 ，工作效率不 及贴身线圈。图 12 阐明了上述原则。 接头设计应考虑熔化电磁材料的流动 。熔 图 9普通榫槽接头图 10 高压榫槽接头图 12 感应焊接头设计准则化电磁材料会沿着最小阻力的路径流动并按设 计填满空隙或者填满收缩或下凹表面 。接头应 尽可能设计成剪切接头而不是剥离或对接接头 （见图 13 ）。在焊接薄板材料时 ，由于电磁材料 的添加会造成厚度增加 。增加量是微不足道的 ，取决于电磁材料的厚度和焊接过程中作用于接 头的压力。 不同的接头设计需要不同形状的电磁

29、材料 。图 11 阶式接头的有限剪切高度空间 。植入物可用 1.27 mm 厚的片材或带材。 2014年 第40卷·23·橡塑技术与装备（塑料版）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastic edition)塑性塑料及某些热固性塑料 （如 SMC ）的结构 密封或气密焊缝 ，尤其适用于焊接高熔点塑料 如现代工程塑料 （典型的例子是许多汽车发动 机罩零件 ）。某些不能用其他方法焊接的不相容 材 料（不论其熔化温度如何 ）能够用感应焊连接。 同粘接和铆接接头相比感应焊获得的接头强度 高出许多 。感应焊其它优点包括

30、：零件热损伤 、 变形和过量软化较少 、熔化材料从结合线处挤 出较少 、可实现密封 、容易通过调节电源功率 进行控制 、母材不需预处理 、粘合剂保存期限 不受限制等。 感应焊的主要缺点是感应焊设备昂贵 、植 入物的额外费用可能很高 、工作线圈的优化配 置成本以及将植入物置于接头处的附加装配作 业 。 此外植入物保留在接头区域之中 ，直接影 响接头强度。 图 13金属丝或金属薄片位于其中的感应焊接头设计成产生剪切应力而不是剥离应力榫槽接头在凹槽处放置模压垫圈或挤压线束 ，而平面 - 平 面接头需在两表面之间放置带材或 挤压线束。 感应焊接头设计准则 ：（ 1 ）原接头不可达 。改进设计可达 ，形

31、状 更规则如图 12 ( a ) 所示。 （ 2 ）原设计接头形状不规则使线圈制作和 操作困难如图 12 ( b ) 所示。 感应焊接应用 感应焊用量最大的是无菌饮料盒的密封（盒 壁中的铝箔层通过感应加热熔化和密封低密度 聚乙烯外层 ）。包装行业其它应用还有 ：化妆盒 （聚乙烯与聚丙烯的焊接 ）、涂塑金属盖与塑料 瓶的封接 汽车工业 ：由 40% 玻璃纤维毡增强聚丙烯 复合材料组成的旅行车货厢地板和座椅靠背 、玻璃填充的 PA 6 注塑进气谐振 器 、 30%33% 玻璃纤维增强的尼龙 6 散热器溢流箱 、动力转 向储液罐 、三都平 （热塑性橡胶） / 聚丙烯材料 连接的方向盘气囊袋 、汽车尾

32、灯 、 PBT 热塑性 聚酯两部分保险杠 、聚碳酸酯汽车保险杠 、汽 车仪表板 、汽车防撞箱形零部件 、片状模塑料 （ SMC ）的焊接。 医疗设备 ：聚碳酸酯血液氧合器 、动脉滤 器零件。 家用器具 ：蒸 汽熨 斗 、洗碗机喷射水 臂 、聚丙烯水壶、 30% 玻纤增强聚丙烯反渗透水箱。 电子工业 ：聚 碳酸酯结构泡沫计算机控制 台。 其它应用还有 ：玻璃纤维毡聚丙烯复合防 8感应焊接特点 由于感应加热只发生在界面处 ，热量不必 从外源或经由母材传至所需位置 ，所以焊接速 度很快 。焊接时间一般为 130 s ，如聚乙烯接 头的感应焊可以只花短短的 3 s 时间。自动焊接 设备焊接速度可达每分

33、钟 150 个零件 。因为热 量只在需要的地方产生 ，在零件主体中不产生 热应力 。由于位于接头界面处的电磁材料熔化 时 ，在压力下流入空隙和不平整表面 ，可形成 废品率接近于零的可靠焊缝 。所以感应焊对零 件尺寸和几何形状限制少 ，焊接表面可以相当 不规则及形状比较复杂 （如复杂形状的三维接 头） , 能够适应不平整调节安装。感应焊适宜于 长焊缝 ，能焊接大型零件 （可一次焊接长达 6.1 m 的熔合线 ），还可同时焊接多个小型零件 （商 业应用的线圈已可同时焊接 20 条单独的焊缝 ）。感应焊的另一优点是能够沿接头移动线圈以形 成连续的焊缝 。为了加工复杂的结构 , 可以用 机器人控制线圈

34、 。如果需要 ，焊后零件可以用 同样的设备打开以修补缺陷焊缝或打开组件用 于内部修理或者回收 。感应焊能够形成所有热 7·24·第40卷 第22期张胜玉·塑料感应焊接技术 风门 、交联聚乙烯管的连接 、金属格栅与扬声 器前部的焊接 、高密度聚乙烯割草机护罩及燃 料箱的焊接 、高密度聚乙烯螺纹管件与吹塑圆 筒的焊接等。 件的设计中向汽车工程界证明了其有效性 、 适用性和独特的能力。 结语 感应焊通过与待焊零件结合线密切相符的 高频线圈施加高频能量 。置于结合线处的电磁 材料吸收的能量直接在结合面处提供集中 、可 控的局部加热 。埋入聚合物基体材料中的铁磁 性颗粒吸收

35、的电磁辐射引起感受器颗粒快速加 热 。从铁磁性颗粒至聚合物基体材料的传导热 造成植入材料的蠕流 ( creeping flow )。 在 适 当 压力下 ，植入材料填满接头空穴 。在施加足够 的压力完全压紧结合面且消除空隙时 ，植入材 料与母材表面之间在热传导作用下形成分子键 。 待焊零件在连接过程中承受适度夹紧力是为了 保证电磁材料的充分流动和冷却过程中零件的 密封。 感应焊快捷 、可靠 ，克服了其它一些连接 方法固有的一些缺点 。感应焊对零件尺寸和几 何形状限制少 ，唯一的要求是感应线圈设计成 能施加均匀的电磁场 。感应焊接大型或不规则 形状零件优势明显 。即使在表面不平整或零件 之间公差

36、较大的情况下 ，电磁材料能填满结合 面处的模制不平整或空隙以确保实现良好连接 。 感应焊废品率很低 ，即便出现缺陷焊缝 ，还可 通过将已焊件置于电磁场中重熔进行脱焊和重 焊 。感应焊加热仅发生在电磁嵌件接触的地方 ， 母材主体保持室温避免降解或变形 。感应焊对 温度和湿度变化不敏感 ，较少依赖于待焊材料 的性能如颜色或熔化温度 。感应焊能够形成所 有热塑性塑料及某些热固性塑料的结构密封或 气密焊缝 ，能产生可靠性好 、强度高的耐压密 封接头 （如医疗设备 ）。组件中含有金属零件时 需要特别考虑 。在接头附近和磁场中的任何金 属也会发热 。如果这种情况无法避免 ，需专门 设计工作线圈 。感应加热

37、线圈应尽可能靠近接 头。对于复杂设计，线圈轮廓可与接头相符。 感应焊塑料零件的最佳机械性能取决于很 多因素 ，包括零件总体设计 、适当接头形状的 10 感应焊接进展 以前 ，非智能振荡管高频发生器反馈能力 有限 。现今美国 Emabond 公司开发出了带易控 制功率输出装置的新型固态高频发生器 ，它能 够提供焊接过程控制和反馈并能精确控制作用 于结合线处的能量 。新型高频发生器和功率输 出装置采用复杂的高频转换技术提高客户产品 设计能力和过程控制能力 。高频发生器可编程 ， 控制器提供自诊断和对焊接过程的多种控制能 力 。该新型高频发生器已获得 FCC （美国联邦 通信委员会 ）和 C E（欧

38、盟 ）的批准。优点包括： 精确控制结合线处的能量 （包括功率级直线上 升或功率脉冲调制 ）；对在焊接过程中靠近或留 存在结合线内的非塑料零件如金属和精密电子 元件加热量最小或者不加热 ；允许点焊和连续 扫描结合线的移动电源程序包 ；更宽的总功率 范围 ；降低总成本。 以前的高频电源输出是一个静态过程 在 很多方面类似其它塑料焊接方法如超声波焊和 热板焊等 ，在通过摩擦或外部热源施加能量时 工件通常在夹具中保持固定 。易控制功率输出 装置的出现允许工件在高频能量均匀作用时在 夹具中受压下产生移动 。电源可同焊件一起移 动或者工件从固定高频电源旁边经过 。感应焊 变成了动态过程 。新型固态高频发生

39、器完成了 从静态到动态焊接过程的提升。 感应焊最新进展集中于通过持续改进植入 电磁材料的性能 、焊接设备 、统计过程控制 、 接头优化设计等方面来最优化增强塑料复合材 料接头的机械性能 。感应焊最广泛用于聚烯烃 ，最近在承载或高强度应用的工程塑料如尼龙 6中使用量日益增加 。汽车工业广泛采用了玻纤 增强尼龙基塑料 ，安全 、耐用要求是最优先考 虑的问题 。感应焊技术在重载 、承载汽车塑料 92014年 第40卷·25·橡塑技术与装备（塑料版）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastic edition)选择 、

40、工作线圈的设计 、电磁植入材料的成分 和特性、焊接工艺规范的选择等。 成功的感应焊接方案需要优化以下三个重 要方面 ：（ 1 ）零件应用设计 、接头设计及材料选择 。 包括 ：内部金属件的焊接 、机械留存附加内部 零件于结构接缝内 、高温热塑性塑料的焊接 、 高玻璃含量增强塑料的焊接 、不规则形状的均 匀焊接等。 （ 2 ）植入材料配方 、外形和组件插入。包括： 能配置成预制件的较广范围的热塑性塑料 ，改 善加热效率 、预制件形状和熔化特性的高性能 感受体颗粒。 （ 3 ）设备设计与集成 。包括 ：具易控制较 宽范围功率输出装置的高频发生器 、具数据采 集的动力过程控制 、允许长的不规则结合线

41、展 开的软高频电缆、同时焊接多条焊缝等。 感应焊能焊接全系列工程塑料及难以用其 它方法焊接的高填充复合物 。随着高强度和承 载用途的工程塑料 （增强塑料）使用量的显著 增长 ，感应焊接正成为基础设计和制造方法至 关重要的一环。 参考文献 ：1 2 3 4 中国机械工程学会焊接学会 . 焊接手册第 2 卷 ：材料的 焊接（第 3 版） M. 北京 ：机械工业出版社， 2008 ，1 1551 179. 张胜玉 . 塑料焊接在汽车工业上的应用 J. 塑料， 2004 ，33 ( 6 ) : 8994. 张胜玉 . 热塑性复合材料及其焊接 J. 纤维复合材料， 2000 ，（ 4 ）：4548. Flavio Caretto. Studying the “induction welding” process applied to thermoplastic-matrix composites. Ener g